第17卷第2期中國公路學報Vol 17 No. 22004年4月China Journal of highway and TransportApr.2004文章編號:1001-7372(2004)02010904用光學可視化方法研究乙醇柴油混合燃料的燃燒特征呂興才,黃震,張武高,李德鋼(上海交通大學內燃機研究所,海200030)摘要:應用直接圖像法對乙醉柴油的燃燒過程進行研究。在一臺單缸直接噴射式柴油機上,建立了直接圖像法拍擾燃燒火焰圖像的光學系統(tǒng),對15%乙醇柴油、15%乙醇柴油加十六烷值改進劑、純柴油在同一轉速下的燃燒過程進行可視化研究。對火焰照片分析表明:柴油中加入乙醇后,無論是否恢復其十六烷值,其著火滯燃期都延長了,燃燒持續(xù)期縮短,火焰輝度減弱。在乙醇柴油中加入十六烷值改進劑后,著火滯燃期相對提前,燃燒持續(xù)期和火焰輝度增加,但仍然沒有達到柴油機水平,這說明十六烷值改進劑有利于改善乙醇柴油的燃燒性能。通過溫度場分析發(fā)現(xiàn):乙醇柴油的缸內平均溫度峰值要比純柴油低很多,而且乙醇柴油燃燒時平均溫度上升相當平緩。關鍵詞:汽車工程;生物乙醇柴油;直接圖像法;然燒特征;柴油機;光學可視化中圖分類號:U473.1文獻標識碼:AOptical visualization of combustion characteristics of diesel engine fueledwith ethanol-diesel blend fuelL U Xing-cai, HUANG Zhen, ZHANG Wugao, LI De-gang( Institute of Internal Combustion Engine, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, ChinaAbstract: Authors present the investigation on combustion process of a single-cylinder diesel en-gine fueled with diesohol using direct photography. Optical access was accomplished by using anendoscope-based measurement system. 15% diesohol blend with or without CN improver anddiesel were used in optical measurements. Some results can be deduced from the flame imagesthat: ignition delay increased, combustion duration and the luminosity of flame decreased for bothdiesohol blends compared to neat diesel. The ignition delay decreased, combustion duration andthe luminosity of flame increased when CN improver was added into blend fuel. From the temperature field of the combustion flame, it can be found that the peak mean temperature of diesoholblend is lower than that of diesel fuelKey words: automobile engineering bio-diesohol; direct photography; combustion characteristicdiesel engine; optical visualization0引言燃料,它可以從甘蔗、玉米、生物下腳料等各種農業(yè)產品轉化,而且乙醇燃料產業(yè)化對開拓農業(yè)市場,提由于環(huán)境保護和資源短缺的雙重壓力乙醇柴高農民收入,增強國家能源安全,增加財政收入等有油燃料成為當前的研究熱點。乙醇是一種含氧生物顯著的效果。由于乙醇與柴油互溶性受到水分的限收稿日期:2003-0619中國煤化工基金項目:國家日然科學某金一福特金項目(5012260:國園家自然科學基作者簡介:呂興才(1970-),男,四川南江人,東風汽車有限公司工程師,上海CNMHG@可.edu,cn110學報2004年制,為了保持混合燃料的穩(wěn)定性,必須在其中加入…高會發(fā)生分離,而且當溫度降低后乙醇與柴油的互定比例的助溶劑。近期,國外多家公可開發(fā)出了成溶性變差2。本次試驗采用常規(guī)的商業(yè)柴油和分析本低、操作簡單的助溶劑后,乙醇的批量使用已經級無水乙醇(99.7%)為原料。配制程序如下:首先成為可能將體積比為1.5%的助溶劑加入15%的酒精中(兩盡管各國已經對乙醇柴油燃料的性能與排放進份其中一份加入少量十六烷改進劑),混合均勻后行了較多的研究,但是對其著火過程研究不多。由將混合物混入83.5%的柴油中,攪拌均勻。于乙醇的卜六烷值很低,因此混合燃料的十六烷值表1試驗發(fā)動機的技術參數(shù)也會降低,這對燃料的燃燒特征影響很大。為了深Tab. 1 Specifications of test engine入了解混合燃料的燃燒特點,筆者采用直接圖像技缸徑x行程100m×11m功率12.lkw(22術對15%乙醇柴油(E15-D)和15%乙醇柴油加十排量最大轉矩58.9Nmn(1六烷改進劑(E15D+ CN Improver)兩種燃料的燃型式直接噴射、水冷進氣門開15 BTDXO燒過程進行記錄,并與純柴油的燃燒圖像進行比較17.5:1進氣門關從而分析其燃燒特點?？s比噴嘴開啟壓強18.1MPa排氣門開43°B3BC發(fā)動機參數(shù)與燃料特性噴油提前角20°BTXC排氣門關15 ATD本次試驗是在一臺單缸水冷、4沖程、直接噴射表2為試驗柴油和無水乙醇的物理化學性質式柴油機上進行的,發(fā)動機的基本參數(shù)見表1。乙醇和柴油按照定比例互溶后,混合液的物理化無水匕醇常溫下理論上能夠以30%的比例與學特性如密度、粘度、表面張力、閃點、沸點、凝點等柴油互溶,但是由于乙醇對水分很敏感,當水含量較參數(shù)會發(fā)生變化,從而影響燃燒過程表2柴油和乙醇的主要物化特性比較Tab 2 Basic physical and chemical parameters of ethanol and diesel fuel密度(20C)冷艇點燃料自燃溫度C烷值柴油0.829×10245~500.789×10378.4-117.3l3~141.202燃燒可視化的光學系統(tǒng)個燃燒室內的情況。另一種方法(也是最簡單的)是直接圖像法,它是對缸內總體情況進行最直接的觀2.1光學研究方法察。前一種方法可以研究復雜過程的循環(huán)變動,隨柴油機噴霧與燃燒是發(fā)動機最關鍵的過程,在時跟蹤火焰結構、噴霧、著火、火焰?zhèn)鞑サ纫幌盗羞^這一過程屮燃料的化學能轉化為熱能燃燒過程直程,但是系統(tǒng)復雜而昂貴。直接圖像技術可以從總接決定了發(fā)動機的能量利用效率和排放特點。為了體上把握發(fā)動機的燃燒特征。因此,為了更直接地能夠全面地理解油氣混合過程和燃燒過程的基本特比較乙醇柴油與柴油燃燒過程的差別,筆者采用直征,光學診斷技術是一種最佳選擇。通過光學診接圖像技術斷可以得到缸內溫度場分布、油束發(fā)展與火焰的形2.2光路與試驗系統(tǒng)成、各種產物(SO0T、NOx、HC等)的生成過程與直接圖像是通過內窺鏡接受缸內的光,然后來分布。光學診斷系統(tǒng)可以分為兩種。一種是激光診形成圖像。由于噴油過程中沒有燃燒發(fā)生,而為了斷,可以揭示噴霧和燃燒的內部結構,通過將光束形能夠同時獲取油束圖像和火焰圖像,需要向燃燒室成一個二維激光片,并用CCD相機系統(tǒng)接收,就可中引入光源(冷光源)才能得到噴油過程的圖像。因以得到任意時刻燃油和噴霧內部的任意位置的截面此在缸頭上布置有兩個內窺鏡,一個引人光源(選用圖像。通過記錄某一曲軸轉角不同循環(huán)的大量二維70視角),另一個接收光源(選用30°視角)。內窺鏡圖像,然后得到平均信息。二維圖像技術進一步擴中國煤化工要伸入到燃燒室內展,通過光東掃描燃燒室并快速記錄某一空間位置CNMHG角因此必須對燃燒附近的平面信號得到準三維圖像,從而了解到整室做微小的修正以防止內窺鏡與燃燒室邊沿發(fā)生干第2期呂興才,等:用光學可視化方法研究乙醇柴油混合燃料的燃燒特征111涉。但是伸入不能太長,一方面影響缸內流場;另一2.3試驗流程方面燃燒室中心部位碳煙較多,容易污染玻璃鏡試驗前先用頻內儀確定出發(fā)動機的上止點位另外,由于內窺鏡不能經受高溫,因此必須對其采取置,然后在控制單元上輸入火焰照片的間隔角及誤冷卻措施。整個系統(tǒng)的布置見圖2。差。本次試驗設定間隔角為0.4°,誤差為士0.1°嘴中心內窺鏡中心火焰照片的拍攝范圍為20°BTDC(上止點前)到20°ATDC(上止點后),包括了從噴油開始到主燃結束的持續(xù)時間。調整內窺鏡的角度,以獲得更清晰、視蓋底平面角更寬的圖像。引入光源發(fā)動機起動后轉速穩(wěn)定立即開始拍攝。為了燃燒省中心燃燒室中心縮短拍攝時間而得到更清晰的圖像,采用隨機抓圖(a)筒視b)縱剖圖1內窺鏡在氣缸蓋上的位置法。由于內窺鏡容易積碳而導致圖像不清楚,因此每拍攝一個工況后,取出玻璃鏡去除積碳后再次使Fig. 1 Location of the endoscope in cylinder head用。更換燃料時,應當將整個低壓油路和高壓油路HIS14中積存的上一次的燃油全部放完,以免影響燃料的燃燒特性。3燃燒特性與溫度場分析圖3為三種燃料在同一工況下的試驗結果。從柴油、E15D、E15-D+CN三種燃料在同工況下1-柴油機:2測功機:3燃油流量計;4油箱:5-曲軸轉角角標器:燃燒歷程的照片可以分析如下6光脈沖轉換器:7控制單元;8錄像機;9藍視器:10內復鏡A內邃餓B12相機;13冷卻空’過濾器:14壓縮空氣(1)著火延遲:在柴油中加入乙醇后著火延遲大計算機大增加。純柴油在9.8°BTDC已經處于急燃期,而圖2直接圖像法的系統(tǒng)布置E15D在9.8°BTDC才開始燃燒。但是在E15DFig 2 Arrangement of direct photography system中加入十六烷值改進劑后,使混合燃料的十六烷值122·3TDC9.83TDXU HDC 1.2 BIDCs0 RTDC 3 K RTnC2°BDCD.8°BTDC(a柴油(N HI XBO BTDC 9.2 ETDC5.( DTDC1.8 IDc()5乙醇油1.8·BTDC10.0°BTDC8.2”BTDC5.2BTDC34°BTDC2.2°BTDc04°BTDC(c)15%乙醇柴油加十六烷中國煤化工圖3三種燃料在統(tǒng)一工況CNMHGFig 3 Combustion flame of three kinds of fuels at the same operation conditions112中國公路學報2004年接近原柴油的水平時,著火延遲縮短,從圖3(c)中可以看出,柴油燃燒時的溫度分布主要在2000~2可以見到在11.8°BTDC時出現(xiàn)明顯的火焰500°C之間,而15%乙醇柴油溫度主要分布在1800(2)著火持續(xù)期:比較圖3(b)與圖3(a)可以發(fā)2100°C之間,在15%乙醇柴油中加入十六烷值現(xiàn)El5D的燃燒持續(xù)期很短,只有在9.8°BTDC~改進劑后,溫度有所升高,幾乎平均分布在2000°C3.8BTDC之間可以見到明顯的火焰,之后和之前附近。另一方面,從圖4(d)中燃料燃燒歷程的平均均見不到火焰,而柴油在整個燃燒期間都可以看見溫度也可以發(fā)現(xiàn)柴油燃燒的平均溫度峰值很高,而火焰。這可能是由于兩方而的原因造成的:一方面且相當突出,兩種乙醇柴油的溫度升高歷程很平緩,因為在柴油中加入乙醇后,乙醇的沸點比柴油低很且峰值溫度比柴油低很多,另外也發(fā)現(xiàn)在柴油中加多,向在高壓噴射后因乙醇的“閃急沸騰”而改善霧入十六烷值改進劑后平均溫度稍有升高,但遠低于化效果,另一方面因為乙醇柴油的著火滯燃期相當柴油燃燒時的平均溫度。長,因此一旦燃燒開始,混合氣就很快完全燃燒。綜合這兩方面原因,E15D的燃燒持續(xù)期很短。結語(3)火焰輝度:乙醇柴油燃料在燃燒時火焰亮度(1)柴油中加人乙醇后,無論是否恢復其十六烷很弱,柴油火焰在9.8°~8.◎°BTDC之間最亮,而值,其著火滯燃期都延長了,燃燒持續(xù)期縮短,火焰El5D在8.0”BTDC最亮,但是相對柴油要暗很多,輝度減弱在E15D中加入十六烷值改進劑后,火焰亮度增(2)乙醇柴油混合燃料中加入十六烷值改進劑加,但是仍然要比柴油火焰亮度低后,著火滯燃期相對提前燃燒持續(xù)期和火焰輝度增為了進一步分析缸內的溫度場分布筆者采用加,但仍然沒有達到柴油機水平三基色法分析軟件對火焰溫度進行分析{。圖4(3)乙醇柴油的最高溫度要比純柴油低很多,而a)~(ω)為對三種燃料在同一曲軸轉角下的溫度場且乙醇柴油燃燒時平均溫度上升平緩分布,圖4中縱坐標為某一溫度的像素。從圖4中參考文獻[1] AL.AN RAE. E-dicsel: an immediate & practical airquality and energy security solution[A. The 14th International Symposium on Alcohol Fuels( ISAF XIV)[C]. Phuket: International Organization Committee for0100020003000International Symposium on Alcohol Fuels, 2002溫度/C2] DE CARO PS, MOULOUNGUI Z, VAITILINGOMb)15%乙醇柴油G, et al. Interest of combining an additive with diesel-ethanol blends for use in diesel engines [J].Fuel顓古鑒十六烷改進劑2001,80(4):565—574[3] ANDERS LARSSON. Optical studies in a dI dieselengine[j]. SAE Transactions 1999-01-3650[4 ANDERS HULTQVIST, MAGNUS CHRISTENSE100020003000N, BENGT JOHANSON, et al. The HCCI combus-軸轉角秋tc)15%乙醇柴淘十六烷值改進劑(d)3種燃料的缸內平均溫度歷程tion process in a single cycle high speed fuel tracerSAE Trans-圖43種燃料在8.0°BTDC的燃燒溫度場分布和IF and chemiluminescence imaging氣缸平均溫度的比較Fig 4 Comparision on temperature field and mean[5]程曉舫,周洲.彩色三基色溫度測量原理的研究[門temperature for three kinds of fuels中國科學(E輯),1997,27(8):324-345中國煤化工CNMHG